气体燃料汽车加气站安防监控系统的应用_工程实践

摘要

摘要：结合气体燃料汽车加气站安防监控系统的建设实践，从加气站工艺出发，分析了加气站可燃气体的理化性质，阐述了车用气体燃料加气站监控系统的方案。关键词：气体燃料加气站；加氢站

摘要：结合气体燃料汽车加气站安防监控系统的建设实践，从加气站工艺出发，分析了加气站可燃气体的理化性质，阐述了车用气体燃料加气站监控系统的方案。

关键词：气体燃料加气站；加氢站；安防监控系统

Application of Security Prevention Monitoring System in Gas-fuel Vehicle Filling Station

WU Zhu，HUO Chao-feng，FU Yu-min，LIU Xue-song

Abstract：Combined with the construction practice of security prevention monitoring system in gas-fuel vehicle filling station，the physicochemical property of combustible gas in the filling station is analyzed from the filling station process. The scheme of the security prevention monitoring system in gas-fuel vehicle filling station is expounded.

Key words：gas-fuel filling station；hydrogen filling station；security prevention monitoring system

1 概述

2010年上海世博会在上海举行。作为本届世博会的最大看点之一，如何让生活更美好，智能化城市建设是其中最重要的主题之一。智能城市的各种应用首先体现在公共安全和应急联动上。基于全球眼等功能的智能城市公共安全监控把监控网布署到新天地、南京路等市区内主要的繁华区域和商业区及住宅区，所有的视频监控信息都被记录起来作为未来的犯罪记录和证据。日常巡逻的警务人员也可以通过无线网络查看几个街区的实时视频图。

通过后端系统的整合，将各种信息进行综合化关联处理，智能城市还可实现多部门的应急联动。相关职能部门(公安、消防、交通、急救、水、电、气、城管等)通过无线技术协同起来、统一指挥、联合行动，从而能够提供高效的紧急救援支持。

作为属易燃易爆场所的气体燃料汽车加气站，在世博会期间在为上海市民提供便捷、高效的清洁燃料(LPG、CNG、二甲醚、氢气)加注服务的同时，也需提高安全监控能力。上海新奥九环车用能源股份有限公司作为目前上海最大的车用清洁能源分销商之一，积极响应市政府号召，在下属所有加气站内安装基于网络的数字监测与安防监控系统，对加气站进行实时监测，监控报警分析并实现与110联动，最大程度降低火灾等事故带来的损失。

2 气体燃料加气站对安防监控的需求分析

鉴于气体燃料汽车加气站属于易燃易爆场所，且外来车辆及往来人流量大，视频安防监控系统需肩负着整个气体燃料汽车加气站区环境的安全防范及消防监控工作，为此对站内安防监控系统提出了新的要求^[1～5]。

① 泄漏监测

根据气体燃料汽车加气站区特殊的火灾危险性和可燃气体及易燃液体泄漏监测实际需要，其消防安全监测参数主要是区域内可燃气体浓度、成分及气体燃料储罐的温度、液位、压力等参数。此外，由于气体燃料汽车加气站内储存的可燃气体含碳量较少，燃烧较充分，在火灾燃烧初期不会产生或少量产生烟气，火灾监测应着重考虑火焰探测和图像监测问题。

② 加气站工作区域监控

视频监控确保覆盖站内所有关键区域，实时监控记录站内每个关键区域信息，发现异常情况，及时处理，确保站内安全。

③ 基于网络的数字视频监控

对于监测到的报警信息应能第一时间上报到当地消防、公安部门，实现联动。为了让视频监控更为有效，应能对由于自然环境或者人为等因素的误报警及时准确分析，降低误报警对当地消防部门的影响。

3 气体燃料加气站工艺介绍

气体燃料加气站主要有LPG汽车加气站、二甲醚加注站(DME加注站)，CNG汽车加气站、氢气加气站(气态H₂加气站)，其经营的是易燃、易爆的特殊商品，根据零售经营服务的特点，要求24h服务。

3.1 LPG汽车加气站

① LPG汽车加气站简介

a. 加气区

这个区域是LPG汽车加气站的主要经营场所，它由站房、加气棚、加气岛3部分组成。站房主要有控制室、营业室、接待室、站长室、值班室、配电室等。

b. 储罐区

这个区域是加气站的危险区域，它包括储罐和卸气场地2部分。站内液化石油气储罐采用的是卧式储罐，埋于地下，并采用集中布置。

c. 车行道和停车场——加气站的进、出口分别设置，车行道的转弯半径不小于9m，加气岛之间的间距不小于6m。停车场和道路路面为不发火地坪。

② LPG的理化性质

LPG是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等组成的烃类混合物，常温常压下为无色、易燃、低毒气体，添臭味剂后有特殊的臭味，气态相对密度为1.5～2.0(比空气重)，低温或加压下为棕黄色液体。液态相对密度为0.5(比水轻)，微溶于水，由液态变气态体积扩大250～300倍，同时吸收大量热量，出口易结冰并形成雾区。

a. 燃烧性强，燃烧速度快，蔓延面积大。根据计算，在敞开的空间燃烧速度为100～4000m/s，蔓延面积大，只要在爆炸极限内不管逆风与否都能爆燃。

b. 火焰温度高，热值大，辐射热强。空气中燃烧温度可达1800℃，爆炸时可达2000℃。

c. 爆炸速度快，破坏性强，冲击力大。爆炸速度为2000～3000m/s，爆炸时既有物理性爆炸，又有化学性爆炸，且具有一推一拉的爆炸性、冲击波和负压效应的破坏性。

d. 复燃的危险性大，即使堵住泄漏，火也已经灭了，流散在低处或管沟中的气体遇火源仍能导致爆炸燃烧。

3.2 CNG汽车加气站及氢气加气站

由于CNG汽车加气站与氢气加气站内设备组成及加气流程相似，本文放在一起介绍。

① CNG汽车加气站及氢气加气站简介

a. 加气区

这个区域是CNG汽车加气站及氢气加气站的主要经营场所，它由站房、加气棚、加气岛3部分组成。站房主要有控制室、营业室、接待室、站长室、值班室、配电室等。

b. 储气瓶组区

这个区域是加气站的危险区域，它包括储气瓶组和卸气场地2部分。站内压缩天然气及氢气储气瓶组采用的是卧式瓶组，固定在地面独立支架上，一般采用6个或9个气瓶为1组，且储气瓶组间距不小于1.5m。

c. 压缩机区

这个区域为加气站气体增压区域，其主要功能为将外来气体加压储存在站内储气瓶组内，以及当储气瓶组内压力过低时，将储气瓶组内气体加压后，通过加气机，加注到车辆中。

d. 车行道和停车场地

加气站的进、出口分别设置，车行道的转弯半径不小于9m，加气岛之间不小于6m。停车场和道路路面为不发火地坪。

② CNG及氢气的理化性质

天然气的低热值为34.91MJ/m³，主要成分为甲烷，其密度在0℃、101.325kPa时为0.7174kg/m³，相对密度为0.5548，天然气比空气轻，完全燃烧时，需要大量的空气助燃。在封闭空间内，天然气与空气混合后易燃、易爆，当空气中的天然气体积分数达到5%～15%时，遇到明火就会爆炸。

氢气是一种无色、无嗅、无味的气体，在标准状态下(温度为0℃、压力为101.325kPa)密度是0.08987kg/m³，是空气的2/29倍。氢的分子运动速度最快，故具有最大的扩散度和很高的导热性，其导热能力是空气的7倍。氢气的燃点较高，为574℃，但其点火能很小，很容易着火，在微小的静电火花下也容易着火。氢气在空气中(20℃、101.325kPa条件下)爆炸极限为4.0%～74.5%，爆炸极限范围很大，加上其很小的点火能和很大的扩散度，极易遇火而发生爆炸。

a. 易扩散性

扩散性是指物质在空气及其他介质中的扩散能力，燃气的扩散能力取决于密度与扩散系数2个主要因素，燃气扩散能力越强，火势蔓延越快，火灾燃烧面积就越大。氢气的火焰传播速度可达3.1m/s。

b. 易压缩性

CNG汽车加气站及氢气加气站通常由管道或长管拖车供气，经过压缩机加压前后其压差约为20MPa，因此在火灾事故情况下的危险性远大于普通管道燃气。

c. 易燃烧性

氢气加气站内氢气点火能低，其最小点火能为0.02mJ，仅为汽油最小点火能的0.1倍，而且氢气的火焰传播速度比碳氢燃料快得多。

d. 易爆炸性

在燃气火灾事故中，约有一半以上的火灾都是由爆炸引起燃烧的。天然气爆炸极限为5%～15%，氢气的爆炸极限为4%～74.5%。两种气体的爆炸下限均非常低，且氢气的爆炸极限范围很大，因此其火灾危险性也更大。

4 气体燃料加气站监控系统的研究

4.1 系统整体布局

气体燃料加气站安防监控系统主要有视频监控系统、气体燃料储存容器液位和压力监测系统、压缩机高压和低压监测报警系统、可燃气体泄漏监测报警系统、火焰探测报警系统等，见图1。

系统采用双路电源保障供电。配电线路一路是没有经过变压器的220V交流电，给荧光灯和电气设备等供电；另一路是经过变压器后，再经过整流桥和三端稳压管形成稳定的5V直流电，作为芯片电源。全部采用开关电源，这样可以有效地抑制电火花的产生。备用电源用于突然断电时使用，维持系统继续运行一段时间。各个子系统要有各自的运行显示输出；声光报警系统采用警示铃和警示灯2种方式，以引起工作人员的注意。

各子系统分布情况：在加气站进出口、储气区域、压缩机区域及加气区域安装视频监控系统，在气体燃料储存容器安装液位和压力监测系统，在压缩机进、出口安装高压和低压监测报警系统，在储气区域、压缩机区域及加气区域安装可燃气体泄漏监测报警系统，在储气区域及加气区域安装火焰探测报警系统。

4.2 系统模块简述

① 视频监控系统

加气站将摄像机的图像接入本地录像设备即嵌入式硬盘录像机，将模拟图像进行数字化压缩处理后通过专线或ADSL网络上传至网络监控中心。在监控中心配备一定数量的监控管理主机，执行监控、录像、集中管理等功能。采用数字化计算机全自动监控方案对目标范围进行实时监控、录像和再现，视频信息以录像文件形式保存在系统硬盘上，可方便地再现任意时间的监控内容。

在加气站进出口、储气区域、压缩机区域及加气区域，安装摄像头进行监控。主要用于观察来往车辆状况，有无不安全行为和不安全状态，减少甚至避免明火的产生，并观察储气区域的安全状态。对于发生的事故，视频监控系统利用其回放监控和分析的功能，为事故分析提供第一手资料，并利用数字网络，传输至所有站点，作为安全教育学习的典型实例，加强员工的安全意识。

② 储存容器液位和压力监测系统

储存容器液位和压力监测是气体燃料加气站生产及安全管理的主要参数之一。第一，气体燃料是易燃、易爆危险化学品，对防爆要求特别高；第二，储罐液位高限为罐容的85%；第三，压缩天然气和氢气的充装压力不得高于储罐的运行压力。

③ 压缩机高压和低压监测系统

在压缩机进、出口安装高压和低压监测系统是对压缩机实施超压保护，是保证压缩机安全运行不可缺少的措施。此类安全保护装置一般由压缩机制造厂配套提供，通过将报警信号接入加气站控制室的PLC，实施对压缩机进、出口压力的远程监控，确保压缩机的安全正常运行。

④ 可燃气体泄漏监测报警系统

由探测器与报警控制器组成可燃气体监测报警系统。当可燃气体浓度达到设定值时，空气的电导率发生变化，通过一个简单的信号放大电路，控制声

光报警系统。使用气敏传感器将被测气体浓度转变为电信号输出。

报警控制器监测原理：催化式；监测气体：ⅡC级T3组可燃气体，包括烷类、醇类、烯类、酮类、汽油等；监测范围(体积分数)：0%～100%；报警设定：爆炸下限的25%，爆炸上限的50%，可在全量程任意设定；报警输出信号：光电耦合输出信号，输出触点容量DE 24V/50mA；温度范围：控制器0～40℃，探测器-40～70℃；相对湿度范围：20%～93%；探测半径：15m。

⑤ 火焰探测报警系统

火焰探测器又称感光式火灾探测器，它是用于响应火灾的光特性，即扩散火焰燃烧光照强度和火焰闪烁频率的一种火灾探测器。根据火焰的光特性，目前常使用的火焰探测器有2种：一种是对波长较短的光辐射敏感的紫外探测器，另一种是对波长较长的光辐射敏感的红外探测器。紫外火焰探测器是对火焰发射紫外光谱高敏感性的一种探测器，它使用一种固态物质作为敏感元件；红外光探测器一般包括一个过滤装置和透镜系统，用来筛除不需要的波长，而将吸收进来的光能聚集在对红外光敏感的光电管或光敏电阻上。鉴于气体燃料加气站内气体燃料的火灾特点，也为了避免阳光或外界的电弧等的干扰，站内火焰探测器均采用红外、紫外双重火焰探测器。

5 上海世博加氢站监控系统应用实例

上海世博加氢站位于济阳路，是目前世界上单体规模最大、储氢量、日加气量及加气车辆最多的商业示范运营的加氢站，其建设、运营单位为上海新奥九环车用能源股份有限公司。上海世博加氢站为2010年上海世博会氢燃料电池汽车(100辆燃料电池观光车、60辆燃料电池轿车、6辆燃料电池大巴车)提供氢气加气服务，运营时间将超过半年，且日氢气加气总量超过250kg。上海世博加氢站的商业示范运行将为我国新能源汽车的积极发展起到极大的推动作用。

上海世博加氢站安防监控系统结构见图2。系统的监测范围是容积为13m³的储氢容器、4台氢气压缩机、4台加氢机及其周边区域，监测参数包括储氢容器的压力、压缩机温度、储氢区及加氢区域氢气泄漏量，储氢区及加氢区20m范围红外、紫外火焰探测信息。系统共设8个可燃气体泄漏点，4个火焰探测点，储氢容器压力、压缩机温度2个生产参数监测点，整个系统由监控主机管理。其中，储氢容器压力、压缩机温度2个监测参数取自站内PLC控制系统；可燃气体泄漏监测报警采用8台氢气可燃气体浓度探测器，每台加氢机上方各安装1台共4台，另外2台安装在压缩机区域，2台安装在储氢及卸气区域；火焰探测报警共有4个火焰探测器，其中3台为红外、紫外火焰探测器，分别安装在车辆加氢顶棚一侧、卸气区域及储氢区域，另外1台为三重红外火焰探测器，安装在车辆加氢顶棚另一侧。根据监测要求，图2系统还配备了生产安全和消防安全控制装置，以实现放散阀以及站内紧急切断阀的自动或手动控制。上海世博加氢站网络信息系统计算机显示界面见图3，网络视频监控图像见图4、5。

6 结论

① 气体燃料汽车加气站安装基于网络的数字安防监控系统将有效地降低火灾等事故对加气站的危害，在第一时间发出警告，为事故隐患及事故救援提供有力支持，为保护环境安全提供保障。

② 通过各气体燃料汽车加气站安防监控系统的建立，进而组成一个安防监控网络，通过集中的报警分析中心，可极大地提高管理效率，降低误报警等事故。

③ 本文结合在世博会期间开展中加强城市加气站安防监控系统建设的实践，考虑了监控系统硬件和软件2大部分。系统软件设计将监测到的数据输入系统中更有利于监控发现隐患。信息化管理、智能化监测更有利于系统拓展，为以后加气站安全管理提供参考。

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(本文作者：吴竺霍超峰傅玉敏刘雪松上海新奥九环车用能源股份有限公司上海 200086)